ペットのクーラー『ペットの冷房器』の技術情報です。

ペットのクーラー『ペットの冷房器』の技術情報のページです。

  1. §1.設計図(四面図のみ)
  2. §2.超薄型高性能・熱交換ユニット(特許出願済)
  3. §3.ペルチェ素子の短所・特に寿命が短いという短所の技術対策と、解決。
  4. §4.温度設定と吸熱動作の説明
  5. §5.省エネ低消費電力
  6. §6.ラインナップ比較表

● 『ペットの冷房器』が冷える仕組みを新設しました。

§1.設計図(四面図のみ)

PC-200の四面図(正・平・右側・下)

PC-250の四面図(正・平・右側・下)

PC-350の四面図(正・平・右側・下)

PC-400の四面図(正・平・右側・下)

HA-4の四面図(正・平・右側・下)

 



§2.≪超薄型高性能・熱交換ユニット≫(特許出願済)を搭載

ペルチェ素子の能力を存分に引き出す新技術で≪超薄型高性能・熱交換ユニット≫が完成しました。

ペルチェ素子
↑ペルチェ素子=サーモモジュール(株)フェローテック様カタログから転載

 純電子式熱交換素子=ペルチェ素子を『ペットの冷房器』の熱交換ユニットの心臓部に搭載しています。
 ※ペルチェ素子は、一般の皆様にはなじみの少ない電子部品ですが、医療機器や天体観測などの撮像素子などの冷却に用いられる純電子式の熱交換素子です。電圧をかけることによって、片方の面の熱を反対側の面に瞬時に移動させることができます。その力は、片方の面をマイナス20℃にもマイナス30℃にも冷やすことができる優れた冷却能力を持ちますが、反対の面には大量の熱が集められますので、冷却能力以上の放熱力が求められます。
 今日では、ワインセラーや車載用の小型の冷蔵庫などにも用いられて私たちの身近な存在になりつつあります。

 長所は薄く、小さいこと、機械式の冷却用コンプレッサーに比べて100分の1にも満たない重さと体積です。しかも、純電子式ですので、ペルチェ素子そのものからは、ペットが嫌う振動や音が全く出ないという利点があります。また、冷媒(ガス)を使わないので環境にやさしいという美点もあります。

 ●短所は、寿命が短い傾向があります。また、熱交換効率が悪いといわれています。したがって、大型の冷蔵庫などには不向きな電子部品と言われています。

長期にわたるペルチェ素子の実用実験を経て、ペルチェ素子のこれらの欠点、特に寿命が短いといわれる欠点をことごとくカバーした、
≪超薄型高性能・熱交換ユニット≫(特許出願済み)が完成しました。

≪超薄型高性能・熱交換ユニット≫
↑≪超薄型高性能・熱交換ユニット≫を内蔵している、『ペットの冷房器』の底部分
 新開発の≪超薄型高性能・熱交換ユニット≫は、縦横100mm厚さ30mm、の中に納まり、ペットたちにとって必要十分な冷却能力を発揮します。
●内部構造については近日公開予定です。



≪高性能1≫≪熱交換ユニット≫


 本器の≪熱交換ユニット≫には、上の写真のような、タテヨコ40mm厚さ4mmという極めて小さなペルチェ素子を内蔵しています。
 内蔵しているペルチェ素子は小さいですが、40ワット以上の吸熱量を発揮するハイパワーの電子部品です。
≪ペルチェ素子の特性グラフ≫
  ↑ペルチェ素子の特性グラフ(駆動電圧と冷却力の相関図)の例

 上の、特性グラフから、このペルチェ素子は、12ボルト4アンペア=48ワットで運転すると、冷却面と放熱面の温度差⊿Tを50℃(最大70℃)にすることができることを表しています。赤○の領域です。
 これは、強力なヒートシンクを設けて、放熱面を40℃に保ったとすると、温度差⊿Tが50℃ですから、冷却面はマイナス10℃に冷えることになります。
 しかし、この小さな部品で48ワットも出せるのには条件があります。吸熱した熱を確実に放熱しなければならないことです。
つまり、48ワットで吸熱をするためには48ワット以上の放熱をする必要があるということです。
 一般の、ペルチェ素子を使用した熱交換ユニットには、大きなヒートシンクとファンとモーターが組み合わせになっているのはこの理由によります。

≪超薄型高性能・熱交換ユニット≫の完成

 上の特性グラフの左下の緑枠の領域に着目してください。
 同じペルチェ素子を、定格電圧12ボルトの半分以下の5ボルト1.5アンペア、約8ワットで駆動しても、一定の(8ワット相当の)冷却力を得ることができます。しかも、放熱量も8ワット程度ですので、大きなヒートシンクやモーターやファンを必要としません。放熱効率の高い放熱筒があれば、モーターは不要です。
 しかも、小型の『ペットの冷房器』の場合であれば、4ワット(3ボルト1.3アンペア)で運転できます。
 つまり、このペルチェ素子が持つ48ワットもの大出力は必要がないのです。もともと、この新方式の『ペットの冷房器』であれば、ペットがヒンヤリと心地よく涼むためには8ワットで十分であることが実験からわかっています。冷やし過ぎはかえって不快感になるからです。

 ハイパワーのペルチェ素子を用いて、小さい出力を利用するこの方法のご理解を深めていただくために、自動車のエンジンに例えてご紹介いたします。この【例え】は読み飛ばしていただいて結構です。
【例え】
 ここに、スクーターのエンジンほどに小さいけれど、最高出力100kWの高性能エンジンがあったとします。このエンジンを、乗用車に搭載して100kWの出力を利用するためには、大型のラジェターやラジェーターを冷やすファンやモーターなどの冷却システムが必要です。
 しかし、このエンジンをスクーターに搭載して、最大でも10kW以下で運転するとしたら、発熱量はとても少量になるので、乗用車で使用したような大掛かりな冷却システムは必要ないでしょう。自然冷却だけで済むかもしれません。しかも、出力に余裕を持った運転ですので、騒音や振動も少なく、エンジンの寿命も飛躍的に延びることでしょう。

 48ワットもの冷却力を持つ大出力のペルチェ素子を搭載して、実際には能力の17パーセントの8ワットしか使用しない、余裕を持たせた運転思想が≪超薄型高性能・熱交換ユニット≫実現させた根幹になっています。

 

§3.長寿命設計

ペルチェ素子の短所・特に寿命が短いというペルチェ素子特有の短所を解明して、解決しました。



 ペルチェ素子を用いた機器の寿命が短いというNET情報が見られます。多くの場合設計に起因するものと推測しますが、ペルチェ素子そのものにも、寿命を短くするいくつかの要因があります。

【ペルチェ素子の寿命を短くする主な5つの要因】
  1. 【寿命を短くする主な要因1】⇒【過熱で劣化する】

  2. 【寿命を短くする主な要因2】⇒【電源のON/OFFの繰り返しで劣化する】

  3. 【寿命を短くする主な要因3】⇒【内部結露で劣化する】

  4. 【寿命を短くする主な要因4】⇒【水分で腐食する】

  5. 【寿命を短くする主な要因5】⇒【衝撃で破損しやすい】

劣化要因の究明と長寿命化対策

これらの原因を究明して、すべて完璧に、対策を講じることができました。

【寿命を短くする主な要因1】⇒【過熱で劣化する】


 ペルチェ素子は半導体(熱電素子)が100個以上平面に並んだ電子部品ですので、過熱は劣化の最大の原因になります。
 高温による使用条件が、例えば最大使用温度150℃などのように明確に定められています。
この温度を越えれば破損してしまいますし、この温度に近い温度で運転を続ければ、高い冷却力は得られても、ペルチェ素子の寿命が短くなります。
先のスクーターのエンジンの例えのように、余裕の設計をするか、高出力か、設計次第で寿命が決まるのはエンジンもペルチェ素子も同じです。

 過熱の原因は放熱器の能力不足です。
設計をするときに、放熱装置を必要以上に大きくすれば、モーターやファンの騒音が出るし電力も無駄になるので、バランスを考えて設計するのが普通です。
 しかし、ヒートシンクにほこりが溜まれば、放熱能力が落ちます。通風が悪くなったり、設置場所が放熱に適さなかったりすれば、放熱力が落ちます。ひとたび過熱が起きるとペルチェ素子は破損または劣化します。
放熱力が十分であれば、過熱しないのは当然です。

ペルチェ素子の過熱対策

 この『ペットの冷房器』は、48ワット以上の運転能力を持った大出力のペルチェ素子を搭載しています。
 これを最大8ワット(小型モデルは4ワット)で正常に運転します。ペルチェ素子のパワーの17パーセントを使用する余裕の設計です。
 放熱量が大幅に減少するのは言うまでもありません。
その上に、新設計のマルチ放熱筒を搭載して、ペルチェ素子の放熱面の温度が90℃を越えない範囲で運転しています。この新設計の放熱筒はモーターもファンも使用しませんので、故障で放熱力が落ちる心配はありません。(放熱筒の人やペットが触れる部分は安全な温度まで下げています)
この『ペットの冷房器』の過熱対策は、

①ペルチェ素子の17パーセントだけのパワーを使用して、発熱そのものを抑えている。

②新設計の放熱筒で、90℃以上の過熱が起きない。

という、長寿命の安心設計です。(特許出願済み)

【寿命を短くする主な要因2】⇒【電源のON/OFFの繰り返しで劣化する】


 単純な冷房器の温度調節機能は、温度が低くなったら運転を止めて、温度が高くなったら運転を始めるという、ON/OFF方式が一般的です。
 この方式をペルチェ素子に採用すると、ペルチェ素子に熱衝撃が生じて、劣化を速めることになります。
ペルチェ素子は、冷却側の温度はマイナスになりもう一方は高温になっています。これのON/OFFを繰り返すと、ペルチェ素子とその周辺に熱衝撃が起きます。OFFになる度に、熱が冷却側にペルチェ素子を通って一気に逆流する現象です。高温と低温を不規則に繰り返すことによる劣化は想像の通りです。ペルチェ素子のデータに、ON/OFFの繰り返し回数が3000回などと表示されているのは、このことです。

【電源のON/OFFの繰り返しで劣化する】ことの対策

 この『ペットの冷房器』は、シーズン中連続通電をします。夏を迎える前に電源を入れて、夏が終わったら電源を外します。
ペルチェ素子には、その間5ボルトが流れ続けますので、熱衝撃は夏の終わりに1回だけです。
暖房に使用するときも同じです。冬の初めに電源を入れて、春になったら電源を外します。熱衝撃はこの時に1回起きるだけです。何千分の1回しかダメージは起きない仕組みです。しかも、ペルチェ素子の温度差が小さいので熱衝撃のショックも小さくて済みます。

【寿命を短くする主な要因3】⇒【内部結露で劣化する】


 ペルチェ素子の中に並んでいる熱電素子は、わずか3ミリほどの高さですが、一方がマイナスの温度になりもう一方が高熱になる構造です。マイナスになる部分には結露が起こります。結露は半導体だけでなく冷却側の回路にも起こります。結露は寿命を縮める原因になります。

【内部結露で劣化する】ことの対策

 まず、『ペットの冷房器』の≪熱交換ユニット≫のペルチェ素子はマイナス領域で使用しませんので強い結露は発生しません。しかし、ペルチェ素子の熱電半導体の冷却側は、外気よりも20℃程度は低くなりますので、結露が起きる可能性があります。
そこで、結露の原因になる水分を含んだ空気を2重構造で遮断しています。
①1つは、結露防止対策済みのペルチェ素子を採用。
②もう一つは、ペルチェ素子そのものを≪熱交換ユニット≫の中に密封した構造。
以上の対策を取っています。

【寿命を短くする主な要因4】⇒【水分で腐食する】


『ペットの冷房器』ですから、ペットの尿や食べ物や水などがペルチェ素子に侵入すれば、ペルチェ素子を腐食・劣化させてしまいます。

【水分で腐食する】ことの対策

『ペットの冷房器』は、冷却プレートを防水にしています。プレートは水洗いも可能で、結露防止の密封構造ですので、ペルチェ素子に外部から水分が及ぶことはありません。

【寿命を短くする主な要因5】⇒【衝撃で破損しやすい】


ペルチェ素子は、外側が薄いセラミックでできています。衝撃応力にとても弱い構造です。

【衝撃で破損しやすい】ことの対策

『ペットの冷房器』には、ペットが体当たりをするなど思わぬ衝撃を想定して、外部からの衝撃からペルチェ素子を守る、衝撃吸収構造を採用しています。落下等にも耐える構造です。





§4.温度設定と吸熱動作の説明

ペットたちが
暑い!!我慢できない!!
涼みたい!!
と思った時に心地よく涼める温度について

気温追従型の温度設定

 この『ペットの冷房器』の温度設定は気温追従型です。気温から数℃低い状態で待機し、ペットがプレートに載ると電気的に吸熱と放熱が始まります。したがって、ペットが載っている間はいつまでも、心地よく一定のヒンヤリ感を味わうことができます。

 毛皮を着たペットたちの涼みかたは、温度の低いところに寝そべって、身体の熱を逃がす涼みかたです。この涼みかたができるのがこの『ペットの冷房器』です。

 ペットたちが喜ぶヒンヤリ度は自分の体温より5℃から10℃ほど低いと良いようです。28℃~33℃くらいの温度が好みの温度です。おなかの毛の量で温度の好みも変わります。
 

ペットたちにとって大切なのは、温度より吸熱量であることが分かりました。

 

ペットが感じるヒンヤリ感は吸熱現象です

 ペットがヒンヤリ感を感じるのは、自分の体熱・例えば37℃と、寝そべったアルミニウムの30℃と、アルミニウムの熱伝導率の三つの要素によるものです。7℃の温度差の分、高い方から低い方に熱は移動しますが、この移動する速さが早ければ(つまり熱伝導率が高ければ)ヒンヤリ感を強く感じるし、熱の移動が遅ければ、(つまり熱伝導率が低ければ)ヒンヤリ感が弱くなります。

ペットに優しいヒンヤリ感

 冷たすぎずに心地よいヒンヤリ感がいつまでも味わえるようにするためには、温度をあまり低くしないで、吸熱力を強くするのが良いことが分かりましたので、ペットが寝そべるプレートに熱伝達率の高いアルミニウム板と銅板を多用しています。

この『ペットの冷房器』の吸熱効果は体感して頂くとわかります。

 手の平か足を冷却プレートに押し付けて、この『ペットの冷房器』の心地良いヒンヤリ感と、優しい吸熱の効果を実体験してください。押し付けた手の平から、熱が移動していく吸熱効果を感じていただけます。
 この時、3分程度手のひらを押し付けていられるくらいがペットにとっては心地よい吸熱レベルのようです。
3分待てないようなら、冷えが強すぎる場合がありますので、冷却プレートの上にタオルや毛布などを被せて使用してください。おなかの毛の量で温度の好みも変わります。
『ペットの冷房器』サーモグラフィ
↑冷却効果を確認するための実験機のサーモグラフィ

上のサーモグラフィの写真は、8ワット運転時の冷却プレートの冷えかたと、放熱筒の放熱力を実験し測定している試験機のものです。
実用機では、放熱筒の温度はさらに下がって、手で触ってもほんのり暖かい程度にまで、放熱性能を向上させることができています。


§5.省小エネ・低消費電力

 『ペットの冷房器』は全て8ワット運転が基本です。小型機種は4ワット運転もできます。
運転方法は、季節の間連続運転が基本です。
連続運転の利点は、
ペットが使用しなくてもペット自身に、熱いときには涼めるところがあるという安心感を与えることができますので、厚さに対するストレスを和らげることができます。
管理者にとっても管理が楽です。
電気代はひと月150円程度です。
運転を止めたときの熱衝撃を防止できます。

なぜ、8ワットで十分なのか?

【疑問】
 小型のエアコンでも500ワットはあります。8ワットは弱すぎないか?大丈夫か?と疑問が湧きます。

【答え その1】
 エアコンは、冷やした空気を吐き出して、私たちを涼しくするために、部屋全体の空気を冷やし、家具や床や壁など部屋全体も一緒に冷やします。エアコンの500ワットは、人を涼しくするだけに使用されるのではないということです。大きな無駄があります。

【答え その2】
 『ペットの冷房器』は、冷却プレートに載ったペットの体熱を直接吸熱する仕組みです。無駄がありません。

【答え その3】
 皆様は人の発熱量がおよそ100ワットであることをご存じだと思います。100ワットで吸熱したら人は熱が無くなってしまいます。
8ワットの吸熱力が十分なパワーであることは、人が足を数分のせて置くだけで実感していただけます。
ペットが暑いときに、涼むのに十分なパワーです。(小型種は4ワット運転もできます)

【答え その4】
 放熱も8ワットですから、電子蚊取器の2~3個程度なので、部屋が暖まることはありません。